امتصاص فوتونين

على الطاولة ترقد طبقات متراكمة من رقائق نتريد البورون السداسي، وهو مادة تشبه الغرافيت لكنها مكونة من ذرات البورون والنيتروجين. تُنقل رقيقة واحدة بعناية فوق أخرى، وفي موضع تراكبهما، بعد التسخين في الأكسجين، تولد مصادر ضوء مفردة ساطعة. وتزداد كثافتها بما يصل إلى خمسة عشر ضعفًا مقارنة بالمناطق العادية، بينما تبقى الجودة كما هي.

المترجم في قاعة المحكمة يجب أن ينقل كل كلمة دون أن يشتت انتباهه بضوضاء القاعة. في العالم الكمومي، يلعب الرنان فائق التوصيل دور هذا المترجم، إذ يجب أن يفقد الفوتونات وفق جدول زمني صارم، دون أن ينحرف بتأثيرات دخيلة. سابقًا، كان يُستخدم الضخ الميكروويفي، لكنه هو نفسه كان يسبب تشويشًا، كما لو أن المترجم بدأ يصرخ بتعليقات الجمهور. الآن وجد العلماء طريقة أكثر هدوءًا.

كومة من أوراق اللعب ملقاة بلا حراك. يمكنك أن ترفع البطاقة العلوية بإصبعك وتزيحها — هذا تدخل خشن. أو يمكنك أن تنفخ بحيث يتغير شكل الكومة كلها للحظة، لكن الأوراق لا تتطاير. هكذا تقريبًا يعيد الضوء في تجربة جديدة ترتيب بلورة سيلينيد القصدير (SnSe). عادةً، لتغيير بنية مادة صلبة، يُسخَّن الجسم أو يُمرَّر فيه تيار كهربائي.

تندفع ومضة الأشعة السينية عبر المادة في أجزاء من مليار من الثانية. لتخزينها، يجعل الفيزيائيون الذرات تمتص هذا الضوء لفترة قصيرة ثم تطلقه مرة أخرى. لكن استرجاع الفوتون عند الأمر يشبه إخراج كتاب تريده من خزانة تتحرك أرففها من تلقاء نفسها. الطريقة المعتادة هي تحريك عدة ممتصات بدقة هائلة، مثل أوركسترا منسقة. أي خطأ في الحركة يعني فقدان الفوتون.

ضوء الشمس يشبه تيارًا متواصلًا من الكرات المتجهة نحو جدار. بروتينات الهوائيات في البكتيريا الممتصة للضوء تلتقط هذه "الكرات" — الفوتونات، لكن في بعض الأحيان تكون الضربة قوية جدًا، وفي "الجدار" — جزيء الكلوروفيل — تنشأ حالة مثارة خطيرة، الحالة الثلاثية.

في عام 2021، رصد مرصد LHAASO كمات جاما بطاقة تزيد عن بيتا إلكترون فولت من مصادر مثل سديم السرطان — بقايا انفجار مستعر أعظم، في مركزه ينبض نجم نيوتروني. سافرت هذه الجسيمات آلاف السنين، ومجرد وصولها يشكك في ثبات ثبات لورنتز — المبدأ الذي ينص على أن سرعة الضوء في الفراغ مطلقة ومتساوية لجميع المراقبين.

تفقد البطاريات التقليدية شحنتها كما يبرد الشاي. تعمل البطارية الكمومية بشكل مختلف: قلبها تجويف صغير يضم فوتونات متأرجحة. إذا تم تعريضها لأزواج خاصة من الفوتونات، تتدفق الطاقة إلى سلسلة خلايا الكيوبت في لمح البصر — تمامًا كما تتسارع الأرجوحة بدفعات قوية.

الأرجوحة لا تتأرجح إلا إذا دفعتَها في اللحظة المناسبة. وما أن تخرج عن الإيقاع حتى تذهب جهودك سدى. وهكذا تقريبًا يتفاعل الضوء مع النواة الذرية: عادةً ما يُمتص الفوتون فقط عندما تتطابق طاقته تمامًا مع الفرق بين مستويين نوويين. لكن ماذا لو لم تكن طاقة الفوتون مناسبة؟ وجد مؤلفو الدراسة الجديدة طريقًا ملتويًا. لقد درسوا ذرة البلاتين-193.

الضوء ليس مجرد أشعة مستقيمة، بل موجات كهرومغناطيسية قادرة على الالتفاف في الفضاء، مثل ثنائي يؤدي رقصة الفالس. الفيزيائيون يسمون هذا اللف الكلي بالزخم الزاوي المداري، وكان يُعتقد لفترة طويلة أنه يخضع لـقانون الحفظ — مبدأ أساسي ينبثق من تماثلات الطبيعة التي اكتشفتها إيمي نويثر.

تعمل المصيدة الذرّية التقليدية مثل قمع: ضوء الليزر والمجال المغناطيسي يجبران الذرات على التباطؤ والتجمع في المركز. لكن للقمع حد — فهو يلتقط فقط الذرات ذات السرعة المحددة. في التجربة الجديدة، جُعل الضوء "أوسع": أُضيفت عدة ترددات متقاربة، فأصبح القمع قادرًا على التقاط ذرات أسرع. تتصرف ذرات الروبيديوم في المصيدة مثل حشد في ساعة الذروة: كلما زادت الأبواب المفتوحة، زادت سرعة دخول الجميع.

كاميرا فائقة السرعة قادرة على تصوير حركة الإلكترونات هي مقياس التداخل الأتوثاني (attosecond interferometer). يرسل نبضتي ليزر إلى المادة بفاصل زمني ضئيل. الأولى، فوق البنفسجية، مثل وميض، تنزع إلكترونًا من الجزيء. الثانية، تحت الحمراء، كيد خفية، تدفع أو تبطئ هذا الإلكترون أثناء طيرانه.

الضوء الصادر من مصباح أو حتى من ليزر عادي يشبه حشدًا عند مخرج مترو الأنفاق: الناس يسيرون بشكل غير منتظم، تارة كثيفًا وتارة خفيفًا. يطلق الفيزيائيون على هذا السلوك اسم الضوضاء الحبيبية (shot noise) — وهي تقلبات عشوائية في عدد الجسيمات القادمة في الثانية.

شعاع ليزر بقوة تعادل همسة من الضوء نقل نواة الثوريوم-229 إلى حالة مثارة ذات طاقة أعلى. تتطلب معظم النوى الذرية دفعة طاقة قوية لمثل هذا الانتقال، لكن الثوريوم-229 يمتلك فجوة طاقة صغيرة بشكل فريد بين الحالة الأرضية وأول حالة مثارة، مما يسمح بإحداث الانتقال حتى بهذا التأثير اللطيف.

داخل كل خلية توجد محطات طاقة صغيرة تسمى الميتوكوندريا. تحرق هذه المحطات المواد الغذائية وتخزن الطاقة. وتتابع هذه العملية جزيئان مساعدان: NADH و FAD. في السابق، كان يتم رصدهما من خلال توهج خافت، لكن هذا التوهج كان ضعيفًا وكانت الإشارات من الجزيئات المختلفة تختلط معًا. أما المجهر الجديد فيعمل بطريقة مختلفة. فهو يرسل شعاعين من الضوء إلى الخلية ويلتقط الحرارة الضئيلة التي تنشأ عندما يمتص الجزيء الضوء.

حارس يجب أن يفحص خمس غرف، لكن لا يُسمح له بالدخول. يطرق الباب ويصغي: الصمت يعني أن هناك شخصًا بالداخل، والصدى يعني أن الغرفة فارغة. هكذا يعمل القياس دون تفاعل: جسيم كمومي، مثل الفوتون، يمر بجوار الجسم ويكشف بسلوكه ما إذا كان هناك ممتص في الطريق، رغم أن الفوتون نفسه لم يصطدم به.

عادةً ما يدفع الضوء الذرة في مسار مستقيم، مثل الريح التي تدفع الشراع. لكن إذا لُفَّ الشعاع على هيئة برغي، يتغير المشهد: قد تنحرف الذرة جانبًا، وكأن عجلة دوّارة علقت بها. في دراسة جديدة، حسب الفيزيائيون أن مثل هذا الفوتون الدوّار قادر على نقل دوره إلى الذرة بالكامل تقريبًا — حتى 100 بالمئة.

صنبور لا يتدفق منه الماء كتيار، بل قطرة قطرة بدقة — هكذا يمكن وصف مصدر الفوتونات المفردة الذي يتحدث عنه المؤلفون. في الضوء العادي، تطير الفوتونات في جماعات، مثل الماء من صنبور مفتوح. أما بالنسبة للتقنيات الكمومية، فنحن بحاجة إلى فوتونات مفردة — «قطرات» من الضوء يمكن استخدامها ككيوبتات أو كرسل للاتصالات الآمنة.

في بلورة تيتانات الباريوم يوجد مجال كهربائي مدمج — مثل المغناطيس الدائم، لكن للشحنات. عندما يصل وميض ضوء إلى هناك، يقتلع الإلكترونات، فتبدأ في التخبط وتصطدم بالذرات. لكن البلورة ليست متشابهة في جميع الاتجاهات: لها محور يكون فيه المجال أقوى.

قطرة ماء على ورقة تحت الشمس تختفي أسرع مما تتوقعه حسابات الحرارة. قبل بضع سنوات ظهرت فرضية: الضوء بحد ذاته، دون تسخين، قد يقتلع جزيئات الماء من السطح. سُمّي هذا التأثير الضوئي الجزيئي. إذا كان موجودًا، فقد تعمل الغيوم والمناخ وحتى تجفيف الملابس في المنزل بشكل مختلف. قرر مؤلفو العمل الجديد اختبار الفكرة بقياس دقيق.

باعثان صغيران جدًا، كل منهما بحجم ذرة، يمكنهما معًا أن يفعلا ما لا يستطيعان فعله منفردين. الأمر يتعلق بتشتت الضوء — عندما يصطدم الضوء بالجسيمات وينتشر في كل اتجاه. عادةً، يشتت زوج من الجسيمات الضوء بشكل أقوى قليلاً من جسيم واحد. لكن في الحسابات الجديدة، وُجد نمط يصبح فيه استجابة الزوج هائلة — كما لو أن مصباحين يدويين ضعيفين أضاءا فجأة أكثر سطوعًا من كشاف ضوئي. السر هو أن الجسيمات يجب أن تُخرج عن التوازن.

نقطة مضيئة بحجم جزيء. يمر بها تيار كهربائي فتنبعث منها وميضًا كلمبة صغيرة. هكذا تبدو تجربة مع جزيئات صبغة على سطح غشاء ملحي رقيق. عندما يصل التيار إلى الجزيء، يمنحه إلكترون واحد طاقة. يعيد الجزيء هذه الطاقة فورًا على شكل ضوء. إنها مثل الأرجوحة: دفعة واحدة فتهتز ثم تسكن. لكن الجزيء لا يضيء بشكل ثابت: ضوءه يرتجف لأن الجزيء نفسه يهتز.

المشط العادي يفصل الشعر إلى خصلات متساوية. «المشط» الليزري يفعل الشيء نفسه مع الضوء: فهو لا يصدر لونًا واحدًا، بل آلاف الألوان، تفصل بينها خطوات تردد متساوية تمامًا. هذه الأداة ساعدت بالفعل في قياس الوقت بدقة تصل إلى أجزاء من المليار من الثانية، والنظر داخل الذرات.

المصباح العادي لن يجعل الذرة تتوهج — فهو ضعيف جدًا. لكن إذا أبطأت حركة الذرات حتى شبه التوقف التام، فإن حتى تيارًا ضئيلًا من الفوتونات، مثل قطرات نادرة من قطّارة، سيجعلها تستجيب بومضة ساطعة. في التجربة، تم تبريد ذرات الروبيديوم في مصيدة مغناطيسية ضوئية — وهي جهاز تحجز فيه أشعة الليزر والمجال المغناطيسي الذرات في سحابة صغيرة وتُخمد اهتزازها الحراري.

الضوء، عند مروره عبر خلية ملونة، يفقد جزءًا من قوته، مثل شعاع مصباح يدوي يخترق كوبًا من الشاي. كلما كان اللون أكثر كثافة، زاد امتصاص الضوء. لكن حتى الآن، كان المجهر يُظهر فقط ظلًا مسطحًا لهذه العملية، وليس حجمها.

الضوء أداة ممتازة لدراسة الأنسجة، لكنه يخفت بسرعة في عمق الجسم. فبعد بضعة ملليمترات فقط، تتشتت الفوتونات بشدة بحيث يستحيل رؤية أي شيء. ابتكر العلماء طريقة التفافية: بدلًا من الإضاءة من الخارج، يتم توصيل مصدر ضوء صغير جدًا إلى الداخل مباشرة. المشكلة تكمن في كيفية تغذية هذا المصدر بدون أسلاك. وجد الحل في الموجات فوق الصوتية.

الذرات، مثل سرب من اليراعات التي تزامن وميضها، قادرة على إصدار الضوء في انسجام تام. هذه الظاهرة، التي تسمى الانبعاث الفائق (superradiance)، تؤدي إلى زيادة غير خطية في شدة الضوء: مئة ذرة تصدر إشعاعًا متماسكًا تعطي توهجًا أكثر سطوعًا بعشرة آلاف مرة من ذرة واحدة. استخدم الفيزيائيون هذا التأثير لإنشاء محرك حراري من نوع جديد جذريًا.

الضوء ضيف متقلب. يدخل إلى الرنان لكنه لا يستقر: جزء من النبضة ينعكس حتمًا ويحمل معه معلومات كمومية. المخططات التقليدية للالتقاط بمرور واحد تصطدم بهذا الحد مهما حسّنت التحكم. كان الانعكاس يُعتبر خسارة، لكن مؤلفي العمل الجديد يقترحون النظر إليه من زاوية أخرى. المترجم الفوري ينشغل بكل حفيف في القاعة، فتمتد ساعة الاجتماع إلى ساعتين.